谈谈航模电机

  　　在如今的航模运动中，电机逐渐替代了早年的内燃机（图1- 图3），成为模型动力装置的主流。在内燃机时代，有许多相关文章和资料，可供大家学习研究。遗憾的是直到现在，介绍电机工作原理的文章较少。本文将对有刷电机和无刷电机的原理、二者的结构和运行特点做一普及讲解，供广大爱好者参考。文中如有不足之处，请多指正。 
　　说到航模电机，先得讲讲磁铁。磁铁又名磁钢、吸铁石，很多人小时候都接触过（图4）。在生活中，磁铁的用处非常多，如用它制作的指南针、开瓶器、纽扣等（图5）。磁铁具有磁性，其上有南极和北极，常用字母S和N表示。磁铁的两极遵循同极相斥、异极相吸的原理。 
　　电机正是采用这一原理制成的。将导体（电线）弯曲成螺旋状，通电后便形成了最简易的电磁铁（图6），螺旋线圈的一端为N极，另一端为S极。如果将电源的正负极交换，相应的螺旋线圈上的N极和S极会对调。要想维持电机持续运转，需要让两块永久磁铁和1块磁极不停转换的电磁铁组合搭配。永久磁铁的问题好解决，而要想得到1块磁极不停转换的电磁铁，必须迫使为其供电的电源正负极随时间不断变化。 
　　电机的顺利运转，实际是利用了磁铁异极相吸、同极相斥的特性（图7）。如图8所示，电机外侧固定了两块永久磁铁，中间区域转动的部分是电磁铁。当处在位置①时，，由于电磁铁左侧的N极与固定的永久磁铁的N极相互排斥，而与右侧的S极相互吸引，因此该相互作用力产生了一个力矩，驱使电磁铁带着线圈以转动轴为中心顺时针向右旋转。转到位置②时，电磁铁与两块永久磁铁的吸引力达到最大位置，转动停止。为让电磁铁能继续转动，在位置②处连接螺旋线圈的电源正负极迅速互换，导致②中的电磁铁的N极和S极发生调转，即左侧由S极变为N极、右侧由N极变为S极。这样一来，原本的异极相吸变为同极相斥，该作用力驱动电磁铁继续顺时针转动半圈。如此周而复始，电机就会不停地运转。 
　　所以如何使电机电源的正负极在螺旋线圈转了半圈后成功互换，成为电机运转的核心问题。针对这个问题，最开始的解决方法是增加一个专门的元件，也就是有刷电机中的换向器（或整流器）。换向器与线圈相连（图9），并根据电磁铁位置的不同，保证线圈每转动半圈，电机的供电电源正负极互换一次，电磁铁的磁极随之互换。 
　　换向器这一功能的实现，依赖的是自身结构。换向器不仅连接了电磁铁上的螺旋线圈，而且与电机的旋转轴连接，并随着电机的旋转而转动。如图所示，电机旋转轴上的物体被称为转子。如果从电机输出轴的一端向另一端看，换向器恰似两个直径相同、分割的扇形物体。 
　　在早期航模电机中（图10），因为换向器通过电刷与电池的正负极相连，间断地为电磁铁供电，所以这类电机被称为电刷式电机，俗称有刷电机。有刷电机工作时，必须依靠换向器与左右两端电刷的连接，让电磁铁上的线圈通电（图11、图12）。图13中的正负两极上各有1个电刷。当处于位置①时，换向器的两个扇形截面正好与电刷相连，电磁铁上的线圈有电流通过。当处于位置②时，换向器的两个扇形截面离开了电刷（图14），电磁铁上的线圈无电流通过，此时转子变为惰性转动。当转至位置③时，换向器的两个扇形截面再次与电刷相连，电磁铁上的线圈有电流通过，但电源的正负极与位置①时正好相反。此时电磁铁中的磁极倒转，驱动电机转子继续顺时针运转。在这3个阶段中，换向器成功地保证了电磁铁上通电线圈的电极循环变换。 
　　以上介�B的是二极有刷电机。在生活中，经常会看到包含3个线圈的有刷电机，通常称为三极有刷电机。曾经风靡全球的四驱车模型，其用到的就是三极有刷电机，所采用的电机型号为130（图15）。关于三极有刷电机的运行原理，这里留个悬念，我们下期再说。